基于A(yíng)RM核的AT75C220及其在指紋識別系統中的應用

AT75C220是定位于智能互聯(lián)網(wǎng)應用的高性能ARM處理器，采用ARM7TDMI微處理器核，具有OadDSP核，強大的外設(如中斷控制器和外設數據控制器)，其DMA通道增強了微控制器的實(shí)時(shí)性能。主要特點(diǎn)有：

集成ARM7TDMI ARM Thumb處理器核 

一個(gè)16b定點(diǎn)DSP核 

雙以太網(wǎng)10／100Mb／s MAC接口 

88kB的完整快速RAM(支持DMA方式) 

多媒體數字信號編解碼器(CODEC接口) 

集成SDRAM控制器 
這樣，AT75C220就很適合于需要圖像處理功能并具有互聯(lián)網(wǎng)通信能力的設備，比如高性能的指紋識別設備和VoIP應用等。單芯片集成多種功能可以降低成本，提高系統可靠性。同時(shí)，該芯片完備的開(kāi)發(fā)軟件支持(包括LINUX操作系統和DSP算法程序支持等)也有利于減少產(chǎn)品上市時(shí)間。

2 芯片結構

AT75C220主要由運行速度達40 MI／s的基于A(yíng)RM7TDMI的RISC處理器、運行速度為60MI／s的DSP處理器和雙以太網(wǎng)10／100Mb／s的MAC接口組成。其內部機構如圖1所示。

AT75C220包含2種不同的總線(xiàn)ASB和APB，ASB用于連接ARM核、DSP核等核心模塊，而APB總線(xiàn)則連接串行通信接口、通用I／O口等，兩總線(xiàn)之間用AMBA總線(xiàn)橋連接。 
ARMTTDMI微處理器是一個(gè)高性能的嵌入式CPU，他功耗低，運算速度快，內含Thumb指令解碼器，可支持16b指令，同時(shí)支持調試和快速乘法等功能，并可通過(guò)模塊互交總線(xiàn)與其他功能模塊進(jìn)行數據交換。

ARMTTDMI(Thumb) 是公司授權用戶(hù)最多的一項產(chǎn)品，將ARM7指令集同Thumb擴展組合在一起，以減少內存容量和系統成本。同時(shí)，他還利用嵌入式ICE調試技術(shù)來(lái)簡(jiǎn)化系統 設計，并用一個(gè)DSP增強擴展來(lái)改進(jìn)性能。選擇基于A(yíng)RM核的產(chǎn)品的另一個(gè)理由是，ARM公司的處理器核心得到了大量廠(chǎng)家的支持，便于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和升級換 代。

同其他集成DSP核的芯片相比，AT75C220的DSP子系統資源是相當豐富的，如圖2所示，除包含一個(gè)60MI／s，16b定點(diǎn)DSP內核外，還具有不 同用途的RAM：2kB×l6X-RAM，2kB×l6Y-RAM，16kBXl6通用數據RAM，24 kB×l6可下載程序RAM，一個(gè)256×16 雙端口的RAM郵箱用于MCU-DSP通信。完整的CODEC接口允許大量的工業(yè)聲音、多媒體或數據的連接。

芯片集成的以太網(wǎng)接口包括了2個(gè)獨立的10／100Mb／s以太網(wǎng)MAC接口和一個(gè)32kB的數據包緩沖區。雙端口MAC的設計使設備嵌入到現有的以太網(wǎng)中 而不需要另外的電纜，由于2個(gè)MAC接口之間用局部總線(xiàn)連接，大量的數據包可以不受延遲地從一個(gè)MAC傳送到另一個(gè)MAC，其間無(wú)需軟件的參與。數據包緩 沖區由MAC接口通過(guò)DMA的方式操作，用于臨時(shí)保存接收和發(fā)送的數據包，在大多數情況下可以滿(mǎn)足較大的通信量。 

3 指紋識別算法 
指 紋自動(dòng)識別作為一個(gè)有較大難度的模式識別研究分支，其研究難點(diǎn)主要集中在如何對采集進(jìn)來(lái)的各種有噪聲圖像進(jìn)行濾波和增強、如何抽取指紋的全局和局部特征以 及如何進(jìn)行在圖像不能完全定位和圖像可能發(fā)生扭曲變形情況下的特征匹配上。一般可以分為以下幾個(gè)步驟，如圖3所示，指紋識別算法流程主要包括灰度濾波、二 值化、二值濾波、細化、細化后的去噪等步驟，最后進(jìn)行特征提取和匹配。

本系統的指紋識別算法的灰度濾波采用基于塊方圖的方向濾波，接著(zhù)進(jìn)行二值化并細化指紋圖像，在二值化和細化的過(guò)程中進(jìn)一步去噪聲，消除導致錯誤的特征點(diǎn)的可 能性。用模板匹配的方法分別獲取指紋的特征點(diǎn)，如端點(diǎn)、叉點(diǎn)等。指紋匹配采用基于中心點(diǎn)的匹配算法。通過(guò)在PC機上驗證，該算法可以達到較好的效果。

4 指紋識別系統

指 紋識別系統一般由指紋傳感器、DSP處理器和外圍電路組成，為增加系統的處理能力，系統中往往還包括另外的處理器管理諸如通信、人機接口、指紋數據庫等。 本系統結構如圖4所示，電容式的指紋傳感器FPSll0采集指紋圖像并交由AT75C220內部的DSP協(xié)處理器進(jìn)行指紋識別，完成圖像的預處理、提取指 紋特征碼，并同指紋庫中的指紋特征進(jìn)行匹配，給出判別結果。ARM核運行于LINUX操作系統之上，實(shí)現了TCP／IP協(xié)議棧，由于指紋識別器的網(wǎng)絡(luò )系統 對實(shí)時(shí)性和吞吐率要求并不高，但是要求可靠性和保密性比較高，所以傳輸層協(xié)議選擇TCP協(xié)議，并且傳輸的數據經(jīng)過(guò)了加密。ARM處理器上還包括了人機接口 和控制輸出，控制輸出用于對電子門(mén)鎖進(jìn)行控制。另外，ARM軟件還包括門(mén)禁系統、考勤系統中的一些專(zhuān)有控制模塊，比如門(mén)禁權限管理、考勤數據庫管理等

5 算法的移植

指紋識別算法開(kāi)始時(shí)在PC機上實(shí)現，需要移植到AT75C220的DSP子系統中。如果直接用C語(yǔ)言移植，難以發(fā)揮DSP的實(shí)際處理能力，執行效率相當低。 關(guān)鍵的算法模塊用匯編語(yǔ)言實(shí)現后，指紋的采集、圖像預處理和匹配可以在1s中完成，算法效率和識別率與PC機上計算相當，達到了實(shí)際應用要求。

6 結 語(yǔ)

由于硬件采用集成多功能的AT75C220構成系統，系統硬件設計簡(jiǎn)單，使整個(gè)系統達到了小型化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化的要求。實(shí)踐證明，采用這種結構的設備處理能力得到了提高，代表了未來(lái)門(mén)禁系統發(fā)展的方向。